一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，整体电路采用四级级联，电路结构依次包括：偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路、输出匹配电路。偏置电路为放大器提供静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定整个放大器的噪声，按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，考虑输出驻波比和增益。本发明专利技术的单片超宽带高增益低噪声放大器，频带可覆盖S波段至Ku波段，并且在超宽带内拥有较低的噪声特性、较高的增益和良好的输入输出阻抗匹配，性能优异，且全频带内性能稳定，适用于射电天文和无线通信宽频接收机。

An ultra wideband, high gain, low noise amplifier based on monolithic microwave integrated circuit

The invention discloses an ultra wideband high gain low noise amplifier monolithic microwave integrated circuit based on integrated circuit using four cascaded, circuit structure comprises a bias circuit, an input matching circuit, matching circuit, output matching circuit. The bias circuit provides static working point for the amplifier, to keep the working characteristics of active circuit stability; the input matching circuit determines the whole amplifier noise, noise level, according to the minimum; the maximum power transmission circuit according to the matching; the output matching circuit of small noise, consider the output and the gain in Bobbi. The invention of the monolithic ultra wideband high gain low noise amplifier, band covering S band to Ku band, and have high and low noise characteristics in ultra wideband internal gain and good input and output impedance matching, excellent performance, and the performance of the band is stable, suitable for radio astronomy and broadband wireless communication receiver.

【技术实现步骤摘要】
一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器
本专利技术属于射频集成电路设计领域，具体涉及一种基于单片微波集成电路(MMIC)的超宽带高增益低噪声放大器，适用于射电天文和无线通信宽频接收机，特别涉及S、C、X、Ku波段外差接收机或毫米波亚毫米波接收机的中频模块。
技术介绍
低噪声放大器(LowNoiseAmplifier，LNA)是微波接收系统的核心器件之一，其主要作用是对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大，同时抑制各种噪声干扰，提高接收机灵敏度，以供系统解调出所需的信息数据。所以，LNA的设计对整个接收机系统的接收灵敏度和噪声性能起着决定性作用。70年代，随着半导体器件的成熟、工艺加工技术的改进、GaAs材料设备的完善以及器件成品率的提高，单片微波集成电路(MMIC)的研究进入高潮。MMIC是一种把有源电路和无源电路制作在同一个半导体衬底上的微波电路，其工作频率从1GHz到100GHz以上，具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、结构紧凑和优秀的重复生产能力等特点，因此广泛应用于如军事、航天、民用电子产品等领域。近年来，为满足微波接收系统小型化、高性能指标，具有低噪声、高增益及良好输入输出匹配等优异性能的MMICLNA设计变得十分紧要。此外，随着现代科学技术的迅猛发展，在各领域中，信号频率范围不断变高、变宽，设计性能优异的超宽带低噪声放大器芯片变得越来越重要，不仅可以实现多波段的信号放大，更可以节约成本和芯片面积。一般说来，如果射频电路模块的相对工作带宽低于15％，被划为窄带模块；若高于15％，则被划为宽带模块。相对工作带宽高于125％，且带宽超过1.5GHz，则被划为超宽带模块。其中相对带宽BWr的公式为：式中，fL为目标带宽的低端频率，fH为目标带宽的高端频率。传统的窄带低噪声放大器，因其中心频率的频率响应是对整个带宽频率响应的有效近似，只需将设计集中在中心频率，因此通常要求电路有较低的噪声系数、较高的增益及平坦度、优秀的输入输出匹配等。而在超宽带射频电路设计中，必须考虑整个超宽频带范围内的响应，因此实现超宽带下优异的阻抗匹配和较高的增益是本专利技术除低噪声特性外的另一难点。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种MMIC工艺制造的工作在3-15GHz的超宽带高增益低噪声放大器芯片，能够克服上述现有技术的不足之处。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，整体电路采用四级级联，需兼顾最小噪声、最大增益、端口匹配以及带内平坦度：进一步，偏置电路在第一级和第二级晶体管T1、T2的漏极采用两颗高阻值的大电感L1、L2，以提高第一级的增益并抑制后级的噪声并作为扼流电感来隔离射频信号。电源处加上旁路电容以阻止射频信号漏进直流电源内，从而实现DC至50GHz内无条件稳定；进一步，输入匹配电路在第一级晶体管T1的漏极和栅极之间并联电阻R和电容C，反馈电阻R有效降低了低频处的输入电压驻波比，极大扩展了LNA的输入匹配带宽，此外并联负反馈效应很好地提高了系统的稳定性，如图3所示。在第一级晶体管T1的源极串联电感Ls用于提供实阻抗以补偿输入阻抗中由漏极与源极之间的反馈电路产生的虚阻抗，这样不仅能够使器件在低频段稳定，还可以改善噪声系数，有利于将噪声匹配阻抗点移动至功率匹配点，如图4所示。进一步，级间匹配电路，采用电容和电感串联实现阻抗匹配，从而获得信号从源到负载无相移的最大功率及最小噪声的有效传输；采用感性的微带线代替小电感的方法使得电路结构更加稳定并且节约芯片面积；进一步，输出匹配电路，对整体电路噪声贡献较小，主要考虑输出驻波比和增益，采用电容和电感串联实现阻抗匹配。上述超宽带低噪声放大器电路设计中，偏置电路在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定了整个放大器的噪声，所以必须按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，主要考虑输出驻波比和增益。上述超宽带低噪声放大器设计，采用正负双电源供电，四级级联，MMIC工艺制造，四级晶体管均采用pHEMT晶体管。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术的单片超宽带高增益低噪声放大器，频带可覆盖S波段至Ku波段，并且在超宽带内拥有较低的噪声特性、较高的增益和良好的输入输出阻抗匹配，性能优异，且全频带内性能稳定，适用于射电天文和无线通信宽频接收机。附图说明图1为低噪声放大器电路设计图。图2为偏置电路示意图。图3为并联反馈电路图。图4为串联反馈电路图。图5为串联反馈等效模型。图6为稳定性系数仿真结果。图7为S参数与噪声系数仿真结果。图8为线性度仿真结果。具体实施方式为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、构造特征、所实现的目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。从图1可以看出，本系统的主要组成单元包括：偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路、输出匹配电路，偏置电路在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定了整个放大器的噪声，所以必须按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，主要考虑输出驻波比和增益。下面将结合附图做进一步的说明。一、偏置电路：直流偏置电路的设计对低噪声放大器性能有着非常重要的影响，偏置电路在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定。pHEMT的偏置有多种方式，本设计采用的是正负电压的偏置方式，双电源供电，即漏极加正电压、栅极加负电压以控制漏极电流，由于源极没有偏置电路，所以引入的源极反馈较小，对高频而言比较容易稳定。按照图2所示的偏置电路示意图进行电路的架构，在第一级和第二级晶体管T1、T2的漏极采用两颗高阻值的大电感L1、L2，以提高第一级的增益并抑制后级的噪声，并且可作为扼流电感来隔离射频信号。小值偏置电阻Rd可降低偏置电感L1、L2在低频处的电感性以降低低频处的输入电压驻波比；高值电阻器Rg用于加载负栅极偏置；电源处加上旁路电容以阻止射频信号漏进直流电源内，从而实现DC至50GHz内无条件稳定。二、输入匹配电路：在第一级晶体管T1的漏极和栅极之间并联电阻R和电容C，其作用是加载一个负反馈回路到pHEMT晶体管，使得输入和输出阻抗接近于50Ω。反馈电阻R是关键的反馈元件，可以有效降低低频处的输入电压驻波比，极大扩展LNA的输入匹配带宽，但是其值决定了互相制约的基本增益和带宽，随着R阻值的减小，LNA的输入匹配带宽虽然会变宽，但其增益损耗会加大，因此，需要折中选取反馈电阻R的阻值。电容C是一个隔直元件，用于将正漏极偏置和负栅极偏置隔离开。此外并联负反馈的引入有效地提高了系统的稳定性，如图3所示。三、输入匹配电路：如图4所示，在第一级晶体管T1的源极与地之间插入电感Ls，其等效模型如图5所示，输入阻抗表达式为：式中，Gm为器件固有跨导，Cgs为栅源极间电容，Rds为器件有效输出电阻。可以看出，反馈电感Ls用于提供实阻抗以补偿输入阻抗中反馈电路产生的虚阻抗，这样不仅能够使器件在低频段稳定，还可以改善噪声系数，有利于将噪声匹配阻抗点移动至功率匹配点。设计时需要电感值很小的电感去实现串联反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，整体电路采用四级级联，电路结构依次包括：偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路、输出匹配电路，其特征在于：偏置电路为放大器提供静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定整个放大器的噪声，按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，考虑输出驻波比和增益。

【技术特征摘要】
1.一种基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，整体电路采用四级级联，电路结构依次包括：偏置电路、输入匹配电路、级间匹配电路、输出匹配电路，其特征在于：偏置电路为放大器提供静态工作点，以保持有源电路工作特性的稳定；输入匹配电路决定整个放大器的噪声，按照最小噪声匹配；级间电路按照最大功率传输匹配；输出匹配电路对噪声贡献较小，考虑输出驻波比和增益。2.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电路在第一级晶体管的漏极和第二级晶体管的漏极采用高阻值的大电感，以提高第一级的增益并抑制后级的噪声，同时作为扼流电感来隔离射频信号。3.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述偏置电路上添加旁路电容以阻止射频信号漏进直流电源内，从而实现DC至50GHz内无条件稳定。4.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配电路在第一级晶体管的漏极和栅极之间并联反馈电阻和电容，反馈电阻用于降低低频处的输入电压驻波比，扩展LNA的输入匹配带宽，从而使并联负反馈效应提高系统的稳定性。5.根据权利要求1所述的基于单片微波集成电路的超宽带高增益低噪声放大器，其特征在于：所述输入匹配电路在第一级...

【专利技术属性】
技术研发人员：张会，钱国明，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32